KR100526721B1 - 원자력 연료 골격체를 위한 로봇 점용접 장치 및 이를이용한 점용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료봉이 장입되는 셀들이 다수 형성된 지지격자에 출력 제어봉을 위한 안내관과 연료의 계측을 위한 계측관을 용접하여 제조되는 골격체를 위한 점용접 장치 및 점용접 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 로봇 점용접 장치는 출력 연료봉이 장입되는 셀들이 다수 형성된 지지격자에 제어봉을 위한 안내관과 노내 상태 계측을 위한 계측관을 점용접하여 제조되는 골격체를 위한 자동화 장치로서, 상기 지지격자를 위한 수용부가 형성되어 있는 고정틀들이 일정 간격으로 배열되어 있고, 지지격자들에 장입되는 안내관 및 계측관을 위한 고정플레이트들이 양단에 배열되어 있는 용접벤치; 상기 용접벤치와 나란히 배치된 주행레일을 이동하며 지지격자과 안내관 및 계측관을 용접하도록 용접건을 구비한 로봇; 점용접을 위하여 상기 안내관 및 계측관에 삽입되는 전극; 및 입력된 프로그램에 따라 각 구성요소들을 제어하도록 장비제어부와 로봇제어부가 구비되어 있는 제어장치를 포함하여 이루어져 있다.

Description

원자력 연료 골격체를 위한 로봇 점용접 장치 및 이를 이용한 점용접 방법{ROBOT SPOT WELDING MACHINE FOR NUCLEAR FUEL SKELETON AND SPOT WELDING METHOD USING THAT}

본 발명은 연료봉이 장입되는 셀들이 다수 형성된 지지격자에 출력 제어봉을 위한 안내관과 연료의 계측을 위한 계측관을 용접하여 제조되는 골격체를 위한 용접 장치 및 용접방법에 관한 것으로, 특히 용접건을 구비한 로봇으로 지지격자에 안내관과 계측관을 자동화시켜 점용접(spot welding)하는 장치 및 이를 이용한 점용접 방법을 제공한다.

원자력 연료용 골격체(skeleton)는 원자력 발전소의 원자로에 투입되는 연료봉을 수용하고 핵연료의 반응상태를 확인하도록 하는 지지체이다. 이 골격체는 연료봉을 위한 다수의 셀이 형성되어 있는 지지격자(spacer grid)들과, 일정 간격을 두고 배열된 지지격자들 각각에 형성된 삽입공에 장입되는 제어봉을 위한 안내관 및 노내 상태 계측을 위한 계측관으로 이루어져있다.

이러한 골격체의 지지격자 셀에 연료봉을 장입하고 골격체 양단에 고정체를 결합하면 원자력 연료 집합체(fuel assembly)가 되며, 이러한 완제품은 각 발전소의 고유 모델에 따라 틀리지만 한국표준형 원자력연료를 기준으로 약 177개가 원자로에 장입되어 약 4년 정도 사용된다.

1986년 구소련의 체르노빌 원자력 발전소 사고가 말해 주듯이 원자력 발전소는 높은 안전성을 요구한다. 특히 원자력 연료 골격체는 원자로에 직접 투입되어 장기간의 극한 조건에도 견딜 수 있는 내구성을 요하므로 골격체의 제조는 각 공정 마다 수많은 검사를 거쳐서 정밀한 제품을 얻는 것이 생명이다.

골격체를 이루는 지지격자와 안내관 및 계측관의 결합은 벌징(bulging) 또는 용접(welding)을 통하여 이루어진다.

이중 종래의 용접에 의한 결합 방법은 티그(TIG) 용접을 사용하여 왔다. 티그 용접(TIG Welding) 방식은 지지격자 및 관(안내관, 계측관)의 재질인 지르칼로이(Zircaloy) 특성으로 인하여 아르곤(Argon) 가스가 충전된 밀폐 공간에서 모든 공정이 수작업으로 이루어진다. 만약 대기 상태에서 티그 용접을 실시하면 지르칼로이 금속 재질 특성으로 인하여 산소와 결합된 용접 부분의 금속이 깨지는 현상이 발생하여 접합이 불가능하기 때문이다.

수작업 용접공정을 거치는 다른 이유는 지지격자와 안내관 및 계측관 사이의 공간이 협소하여 용접각도 확보가 어렵고 작업 도중 다른 골격체 부위에 전극 간의 접촉이 발생하는 등 많은 위험이 상존하기 때문이다.

또한 하나의 골격체 제조시 각각의 격자당 보통 40포인트 이상의 용접과정이 이루어지므로 기계화가 어렵다.

이와 더불어 수작업을 통한 지지격자와 안내관 및 계측관의 용접이 계속되는 이유는 약간의 불량이라도 발생한 골격체는 다시 사용하는 것이 불가능하며, 이러한 불량은 많은 재정적 손실을 끼치기 때문이기도 하다.

그러므로 상기와 같은 이유로 생산성이 떨어지고 이에 따라 고가일 수밖에 없는 골격체의 제조공정을 자동화시키는 것이 요구되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 골격체 용접공정에서 수작업으로 인한 생산성 저하를 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은

첫째, 용접건을 구비한 로봇을 이용한 지지격자와 안내관 및 계측관을 용접, 특히 점용접하여 최대한 자동화시킴으로써 골격체 생산성을 높이는 것과,

둘째, 용접건의 팁이 골격체를 이루는 지지격자의 형태에 적합하도록 적절한 구조의 팁과 팁 홀더를 제공하는 것과,

셋째, 용접을 위하여 안내관 및 계측관에 삽입되는 내부 전극의 바람직한 구조를 제공하는 것과,

넷째, 본 발명에 따른 로봇 용접장치를 사용하여 용접시 로봇 아암의 동작을 최소화하면서 제조 시간을 앞당길 수 있는 용접공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 로봇 점용접 장치는 출력 연료봉이 장입되는 셀들이 다수 형성된 지지격자에 제어봉을 위한 안내관과 노내 상태 계측을 위한 계측관을 점용접하여 제조되는 골격체를 위한 자동화 장치로서, 상기 지지격자를 위한 수용부가 형성되어 있는 고정틀들이 일정 간격으로 배열되어 있고, 지지격자들에 장입되는 안내관 및 계측관을 위한 고정플레이트들이 양단에 배열되어 있는 용접벤치; 상기 용접벤치와 나란히 배치된 주행레일을 이동하며 지지격자과 안내관 및 계측관을 용접하도록 용접건을 구비한 로봇; 점용접을 위하여 상기 안내관 및 계측관에 삽입되는 전극; 및 입력된 프로그램에 따라 각 구성요소들을 제어하도록 장비제어부와 로봇제어부가 구비되어 있는 제어장치를 포함하여 이루어져 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 로봇 점용접 장치를 상세히 설명하도록 한다. 본 명세서에서는 기본적으로 아래의 도 2a와 관련된 한국표준형 골격체 및 도 2b와 관련된 개량형 골격체를 위한 점용접 장치를 기술할 것이나 이는 어느 정도 편의를 위한 것이며 이에 본 발명이 전적으로 제한되는 것은 아니다.

먼저 도 1a 및 도 1b의 정면도 및 평면도는 본 발명에 따른 용접장치의 전체 구성을 도시하고 있다.

본 발명에 따른 로봇 점용접 장치는 크게 골격체(100)를 이루는 지지격자(spacer grid)(110)들의 간격에 맞게 서로 떨어져 있는 고정틀(220)이 배열되어 있는 용접벤치(welding bench)(200); 용접벤치와 나란히, 도면에서는 벤치의 후면에 배열되어 있고 용접건(350)을 구비한 로봇(300); 지지격자(110)와 안내관(120), 지지격자와 계측관(130)의 용접을 위하여 각 관(120)(130)에 삽입되는 전극; 지지격자(110)에 형성된 삽입공의 높이에 맞게 관(120)(130)을 수평상태에서 삽입공(117a,117b,117c,117d)(119)에 투입되도록 하기 위한 것으로, 상기 용접벤치 (200)와 동일 직선상에 배열되어 있는 장입테이블(insert table)(500); 그리고 각 구성요소의 제어를 위한 제어장치(600)를 포함하여 이루어진다.

본 명세서에서는 편의를 위하여 임의로 장입테이블(500)이 위치한 용접벤치(200) 쪽을 '상부'(upper part), 그 반대쪽을 '하부'(lower part)로 정의한다.

앞서 설명한 바와 같이 원자력 연료 골격체를 이루는 지지격자의 종류는 각 국가, 발전소의 형태, 제조회사 마다 다르다.

도 2a에는 이러한 골격체를 이루는 격자 중 '대한민국 표준형'(Korea Standard Nuclear Power Plant, KSNP)의 것(111)이 도시되어 있다.

정면도인 (가)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 격자(111)는 지르칼로이 재질의 판들이 서로 엇갈려 레이저 용접된 것이다. 격자판에 의하여 형성된 셀(115)에는 장입된 연료봉(F)의 고정을 위한 스프링(115a)이 돌설되어 있다.

또한 (나)의 측면도에서 확인 할 수 있는 바와 같이 연료봉(F)의 확고한 고정을 위하여 셀(115)의 각 벽마다 두 개씩, 총 8개의 딤플(115b)이 형성되어 있다.

(가)에서 관을 위한 삽입공은 계측관(130)을 위한 구멍(119)과 안내관(120a, 120b,120c,120d)을 위한 구멍(117a,117b,117c,117d)으로 이루어져 있다.

(나)에서 각 관(120)(130)과 격자(111)의 용접 포인트(W)가 표시되어 있는데, 종래의 티그용접에서는 이와 같이 셀의 안쪽으로 들어온 위치에서 용접이 이루어지는 것이 아니라 셀의 양 단부와 관이 접하는 외측 부위에서 이루어졌다.

하나의 골격체(100)에는 KSNP형의 경우 10개의 지지격자가 사용되고, 관 등의 사양은 다음과 같다.

- 안내관(120) 사양 : Active length 약 4014mm, OD 25.98(23.27)mm,

I/D 23.93(21.23) mm, 재질 ZIRCALOY 4.

- 계측관(130) 사양 : Active length 약 4164mm, OD 24.89mm,

I/D 22.86 mm, 재질 ZIRCALOY 4.

- 연료봉(F) 사양 : Active length 약 4030mm, O/D 9.7mm, I/D 8.43mm

도 2b에는 앞으로 양산될 '개량형' 골격체를 위한 지지격자(113)의 개략적인 측면도가 도시되어 있다. 도 2a의 KSNP형과 크게 다른 점은 스프링과 딤플의 형상 및 수이며, 안내관(120) 및 계측관(130)과 격자(113)의 용접이 격자에 미리 결합되어 있는 슬리브(113a)를 통하여 이루어진다는 것이다(용접포인트 W).

이 개량형 골격체는 원자로에서의 진동, 연소 효율 및 내구성 등의 조건들을 종합적으로 고려하여 디자인을 향상시킨 것이다.

개량형 골격체에는 지지격자(113)가 모두 11개 사용된다.

또한 골격체(100)를 이루면서 지지격자(110)의 삽입공에 투입되어 용접되는 안내관(120)의 형상은 도 3a에 도시된 바와 같이, 일단에는 이후 골격체 집합체 형성시 상단 고정체(미도시 됨)와의 연결을 위한 플랜지(121)가 형성되어 있고, 타단에는 역시 골격체 집합체 형성시 하단 고정체(미도시 됨)와의 연결을 위한 캡(127)이 결합되어 있다. 또한 냉각수의 유입을 위한 구멍(123)과, 원자로내에서 출력 제어를 위한 제어봉을 위한 완충구멍(125)이 천공되어 있다.

이러한 안내관(120)은 원자력 연료의 제어봉 집합체가 삽입·인출되는 공간을 제공한다. 그 전체 형상은 미세하게 확인할 수 있는 바와 같이 제어봉의 낙하시 운동에너지 흡수를 위해 직경이 감소된 부분과 확장된 부분이 교호로 이어지고 있다.

도 3b에 도시된 계측관(130)은 서로 180도의 각도로 형성된 한 쌍의 딤플(131)이 교호로, 각 쌍마다 엇갈리게 20여개 형성되어 있다. 이러한 계측관은 반응로에서 연료봉의 핵반응 상태를 관찰하기 위한 계측기가 이동되는 통로역할을 하며, 그 형상은 여러 실험을 거쳐 최적화된 공지의 것이다.

이와 같은 지지격자(110), 안내관(120) 및 계측관(130)을 포함하여 이루어지는 골격체를 용접하여 제조하기 위한 본 발명의 장치 중 먼저 도 4a 및 도 4b의 용접벤치(200)를 살펴보면 다음과 같다.

용접벤치(200)의 상판(210) 상에는 골격체(100)를 이루는 지지격자(110)의 규격에 상응하게 제작된 고정틀(220)이 배열되어 있다. 하부의 은선 표시로 된 지지격자는 개량형 골격체를 위한 것을 나타낸 것이다.

도 4b에서와 같이 각 고정틀(220)에는 지지격자(110)가 삽입되어 고정될 수 있는 수용부(221)가 형성되어 있으며, 이 수용부에 삽입된 격자는 고정틀의 측면과 상단에 있는 볼트(B)를 토크 렌치로 돌려서 고정된다.

다시 도 4a에서 상판(210)에 배열된 고정틀(220)의 양단에는 지지격자(110)들에 장입되는 안내관(120) 및 계측관(130)을 위한 고정플레이트(230)(240)가 배열되어 있다.

플레이트 중 상부, 즉 장입테이블 측의 플레이트(230)는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다.

즉 가이드레일, 특히 LM가이드(231) 상에서 플레이트(230)는 제어장치(600) 중 벤치(200)에 구비된 조작판넬(611)에 의하여 제어되는 실린더(237)의 동작에 따라 가이드레일(231) 상에서 자동 또는 수동으로 진퇴된다.

그러나 실린더(237)의 제어는 작업자가 실린더와 가까운 위치에서 동작상태 확인이 쉽도록 장입테이블(500)에 구비된 조작판넬(613)에 의하여 이루어질 수도 있다(도 6a, 도 6b 참조). 실제 구현된 장치에서는 후자의 방식을 취하였다. 그러나 이러한 것에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

또한 도 5b에서 보다 확실하게 확인할 수 있는 바와 같이 플레이트(230)에는 안내관이 삽입되는 구멍(234a,234b,234c,234d)이 천공된 돌기(233a,233b,233c, 233d)와 계측관을 위한 구멍(235)이 지지격자(110)의 형상과 대응되게 형성되어 있다.

상기 안내관(120)을 위한 돌기에 형성된 구멍(234a,234b,234c,234d)의 지름은 각 관(120)의 플랜지(121)(도 3a 참조)의 외주면 지름과 일치하여 삽입된 관을 요동되지 않게 지지할 수 있어 용접시 관의 변형을 방지하도록 되어 있는 것이 바람직하다.

도 5b에서 계측관(130)을 위한 구멍(235)은 계측관의 딤플(131)을 고려하여 적절한 지름 크기를 형성해야 한다.

또 도 5c 및 도 5d에는 하부측 고정플레이트(240)가 도시되어 있는데, 이 플레이트는 자동화의 필요성이 적어 수동으로 LM가이드(241) 상에서 진퇴되며, 플레이트(240)에는 안내관(120)과 결합되는 볼트가 삽입될 수 있는 나사공(243a,243b, 243c,243d)이 형성되어 있다.

이렇게 상부 플레이트(230)와는 달리 안내관의 고정을 보다 확실하게 하기 위한 나사공은 안내관의 장입 후 지지격자와 안내관 사이에 남아 있는 응력 및 용접시에 열변형으로 관이 틀어지는 것을 방지하는 것과 아울러 안내관의 정확한 위치 선정을 위한 것이다. 이를 위하여 안내관(120)의 캡(127, 도 3a 참조)측 내주면에는 나선이 형성되어 있어야 한다.

참조부호 245는 계측관(130)을 위한 돌기로서, 이는 돌기(245) 주변의 환홈(245a)에 의하여 형성된 플레이트(240)와 동일 평면 상의 것이다.

다음으로 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 로봇 점용접 장치는 안내관(120), 계측관(130) 및 전극의 삽입을 용이하게 하기 위하여 용접벤치(200)와 동일 직선상에 장입테이블(500)을 더 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이 장입테이블(500)은 상기 관을 지지격자(110)의 삽입공(117)에 장입할 수 있도록 모터(511)에 의하여 LM가이드(513) 상에서 진퇴되는 장입 치구장치(insert tool)(510)와 계측관 용접시 격자 위치를 자동으로 감지하여 계측관용 전극을 확장 시키기 위한 위치 감지센서(미도시 됨), 테이블 상하 구동을 위하여 위치 감지센서(523)의 신호에 따라 테이블(500)의 높낮이를 조절하는 모터(521)와, 이 두 모터의 정역회전을 조절하는 제어장치(600)의 조작판넬(613)을 구비하고 있다.

장입치구장치(510)의 모터(511)는 역시 상부 플레이트(230)의 실린더(237) 조작방식과 마찬가지로 작업자가 가까운 위치에서 동작을 확인하기 쉽도록 용접벤치(200)에 구비된 조작판넬(611)의 조이스틱에 의하여 제어되는 것이 바람직할 수 있고, 실제 제작된 장치에서는 이 방식을 취하였다.

참조부호 515는 장입치구장치(510) 제어용 케이블의 이동을 위한 덕트이다.

상기 높낮이 조절 모터(521)는 격자(110)의 각 삽입홈(117a,117b,117c,117d) (119)) 높이에 맞게 테이블(500)의 높이를 조절하는 것이다.

이렇게 구성된 용접장치에서, 용접벤치(200)의 고정틀(220)에 지지격자(110)를 고정하고, 지지격자에 안내관(120), 특히 하부 삽입공(117a,117b)에 장입된 제1, 제2 안내관(120a,120b)이 삽입된 후 용접을 위하여 전극을 삽입한다.

전극 중 안내관(120)용 전극(410)이 도 7a에 도시되어 있다. 이 전극은 전극부재(411)와, 이 전극부재(411)를 연결하고 있는 지지봉(413)으로 이루어져 있다. 상기 전극부재(411)의 수는 골격체(100)를 이루는 격자(110)의 수와 일치하고, 안내관(120)에 전극(410)이 장입되었을 때 전극부재(411)는 격자(110)의 해당 위치에 놓여지게 된다.

참조부호 415는 손잡이를 나타내는 것으로, 전극(410)을 수동으로 안내관 (120)에 삽입하기 위한 것이다.

도 7b에는 전극, 특히 딤플(131)이 형성되어 있는 계측관(130) 용 전극(420)이 도시되어 있다.

이 전극(420)은 탄성수단으로 연결된 절편(421a)들로 이루어진 전극부재 (421)와, 이 전극부재(421)에 삽입되어 절편(421a)을 이격시켜 전극부재의 직경이 팽창되도록 하여 전극이 계측관(130) 내부를 메우도록 하는 확장기구(423)와, 상기 확장기구와 연결된 지지관(425) 내의 풀링바(425a)를 전극부재의 위치를 감지하는 센서의 신호에 따라 진퇴시키는 실린더(427)를 포함하여 이루어져 있다.

도시된 전극부재(421)의 절편(421a)은 원기둥을 종방향으로 4등분한 것이고, 확장기구(423)는 이에 상응하도록 장방형 돌기(423a)가 구비되어 있다.

이러한 직경이 확장되고 수축되는 전극(420)의 개념은 딤플(131)이 형성된 계측관(130) 내에서는 계측관의 내경과 동일 직경을 갖는 전극이 딤플로 인하여 이동될 수 없기 때문이다.

특히 이러한 전극부재(421)의 탄성수단(421b)은 확장기구(423)의 반대쪽에서 일체형으로 결합되어 있는 절편(421a)들 단부가 탄성수단의 기능을 한다. 이러한 탄성수단(421b)으로 인하여 관에 삽입되지 않은 상태에서는 확장기구(423)를 당기면 확장기구(423)의 장방형 돌기(423a)가 절편(421a)들의 접면 사이에 끼면서 절편 사이를 벌려 전극은 우산살처럼 퍼질 것이다.

물론 이러한 탄성수단은 서로 떨어진 절편들의 접면에 코일스프링을 배열하는 방식(미도시 됨)으로도 달성될 수도 있음과 아울러 당업자에게 공지된 여러 방식이 가능하다.

이러한 계측관용 전극(420)의 전극부재(421)는 점용접시 이동하며 용접되는 골격체(100)의 지지격자(110) 마다 위치하여야 한다. 이를 위하여 전극(420)의 실린더(427) 쪽에 바퀴(429a)가 달린 체결구(429)가 구비되어 있고, 도 6a와 관련하여 설명한 장입테이블(500)의 장입치구장치(510)와 체결구(429)에 형성된 홈(429b)을 통하여 연결될 수 있다.

따라서 장입치구장치(510) 모터(511)의 회전으로 장치(510)가 레일(513)을 따라 진퇴되면 이에 따라 전극(420)도 진퇴된다. 전극(420)이 지지격자(110)에 위치하는지의 확인은 장입 테이블(500) 상단 측면에 구비된 도그(dog) 블록을 장입 치구 장치(510)에 설치된 위치 감지 센서가 감지하여 그 신호가 제어 장치(600)에 전달되어 이루어진다. 신호가 감지되면 제어 프로그램에 따라 동작이 이루어진다. 도그 장치는 지지격자(110)가 위치하는 부위마다 테이블(500)에 설치되어 있는데, 골격체 모델 변경시 도그 장치는 위치 변경이 가능하게 되어 있는 것이 바람직하다.

다음으로 도 8a 내지 도 8c에는 도 1a에 도시된 점용접용 로봇(300) 중 용접건(350)이 도시되어 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이 로봇(300)은 용접벤치(200)와 나란히 배치된 주행레일(360)을 이동하며 지지격자(110)와 안내관(120), 그리고 지지격자(110)와 계측관(130)을 용접하는데, 이 로봇은 일본에 소재한 kawasaki社의 산업용 7축(axis) 다관절 로봇이다(제어반은 C52G-A002, S/N UB1501214의 것을, 로봇은 UB150G-A005, S/N UB1501214의 것을 사용). 이러한 산업용 로봇은 대부분 공지의 것으로 본 명세서에서는 개략적인 설명만을 한다.

변압기(310)는 용접전류 발생을 위한 것이고, 로봇 접속 유닛(320)은 로봇 관절과 용접건(350)을 접속하는 장치이다. 또한 용접건 구동실린더(330)는 용접팁(359) 구동을 위한 공압 실린더이고, 분류기(shunt)(340)는 구동 실린더(330) 작동시 움직임이 발생하는 용접 홀더로 전류를 흘려주는 용도를 가지고 있다. 도 8a의 상부에는 밸브(315)가 구비되어 있는데, 이는 용접건의 홀더(357) 및 팁(359)에서 내부로 용접건 내부 공간을 통하여 냉각수를 유통시켜 용접건에서 발생되는 열을 냉각하기 위한 것이다.

도 8a 및 도 8b에서 확인 할 수 있는 바와 같이 로봇(300)의 용접건(350)은 용접건프레임(351)과, 아암(353)으로 이루어지고, 아암은 다시 구동실린더(330)와 홀더(357)를 연결하고 있는 홀더거치대(355), 팁(359)을 지지하는 팁홀더(357), 용접팁(359)으로 이루어진다.

참조부호 352는 실린더(330) 압력측정 장치로, 용접포인트에 위치한 팁(359)의 압력이 기준값을 만족하여야만 용접이 이루어지도록 한다.

본 발명에서는 골격체(100)의 점용접을 위하여 로봇(300)의 팁(359)을 변형시켰다.

먼저 도 9a에 도시된 용접건의 팁(359a)은 도 2a에 도시된 한국표준형 골격체의 지지격자(111)와 같이 용접점(W)이 셀(115) 내에 형성되어야 하는 형태의 것을 위한 것으로, 지지격자의 안내관 및 계측관을 위한 삽입공과 인접한 셀(115) 사이의 벽과 안내관(120) 또는 계측관(130)을 용접할 수 있게 셀에 장입될 수 있도록 돌출되어 있다. 이는 도 10의 실제 용접사진에서 보다 쉽게 확인할 수 있다.

이에 비하여 도 9b에 도시된 팁(359b)은 도 2b에 도시된 개량형 골격체의 지지격자(113)와 같은 종류의 것을 위한 것으로, 지지격자의 셀에 삽입될 필요가 없으므로 돌출형이 아니다. 이보다는 원통형의 슬리브(113a)의 외주면을 쉽게 감쌀 수 있도록 장방형으로 되어 있고, 팁(359b)이 슬리브(113a)에 접촉되는 구조이므로 주변 지지격자와 간섭이 없어 팁의 정밀한 위치제어를 필요치 않도록 되어 있다.

도 9a 및 도 9b에서 참조부호 H는 팁(359a)(359b)과 팁홀더(357)의 결합을 위하여 볼트가 삽입되는 구멍이다.

이러한 용접건(350)은 한국표준형 또는 개량형 지지격자(111)(113)의 양측에서 격자와 안내관 또는 계측관을 용접할 수 있도록 2개의 홀더 장치 형태로 되어 있는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같은 각 구성요소는 제어장치(600)를 통하여 제어된다. 이러한 제어장치(600)는 로봇 제어를 위한 전용 제어시스템이 탑재된 로봇제어부(620)와 장비제어부(610)로 이루어진다. 장비제어부(610)는 용접벤치(200)에 구비된 조작판넬(611)과 장입테이블(500)에 구비된 조작판넬(613)을 포함하고 있다.

또한 제어장치(600)는 모니터, 특히 MMI(Man Machine Interface) 개념으로 운전이 가능하도록 주제어반에 부착된 터치스크린(630)을 포함하고 있어, 작업자가 최종 명령을 장비에 지령하고 각종 상황을 그래픽화 된 화면에서 확인할 수 있도록 되어 있다.

다음으로 이상에서 설명한 본 발명의 로봇 점용접 장치를 통한 용접방법에 대하여 설명하도록 한다.

KSNP형 골격체와 개량형 골격체는 모두 용접건의 작업공간 확보를 위하여 크게 아래의 두 제1, 제2 안내관에 대한 1차 안내관 용접공정 → 계측관 용접공정 →위쪽의 제3, 제4 안내관에 대한 2차 안내관 용접공정 순으로 점용접이 이루어진다.

Ⅰ. KSNP형 골격체 용접

먼저 도 2a에 도시된 KSNP형 골격체는 격자(111)가 골격체(100)에 10개 들어간다. 그러므로 도 4a의 용접벤치(200)에서 은선부분 격자는 도 2b의 개량형 격자(113)를 갖는 골격체를 위한 것을 나타낸다.

우선 제어장치(600)에 구비된 터치 스크린(630)을 통하여 KSNP형 골격체 운전모드를 설정한 후, 지지격자(111) 10개를 고정틀(220)에 장착하여 볼트(B)로 고정시킨다.

1. 1차 안내관 용접공정

스크린(630)에서 제1, 제2 안내관(120a,120b) 장입 공정 버튼을 터치하면 로봇(300)은 하부 고정플레이트의 1번 지지격자(110)로 이동한 후 용접 명령에 대기한다. KSNP형 골격체에서는 하부에서 상부방향으로 용접공정을 진행시켰다(하부에서 상부로 차례로 1에서 10번, 은선 표시 격자 제외).

작업자가 테이블(500) 조작판넬(613)에 구비된 상부 고정플레이트(230, 도 5a) 구동용 공압 실린더(237) 스위치를 이용하여 상부 고정플레이트(230)가 10번 고정틀 방향으로 밀착되게 하고, 하부 고정플레이트(240, 도 5c)을 지정된 위치에 고정한다.

도 1a 및 도 6a에서, 지지격자(110)의 설치 및 로봇(300)의 이동이 완료되면 작업자는 장입테이블(500)이 제1, 제2 안내관(120a,120b) 위치에 있음을 확인하고 장입 테이블(500) 상판에 준비된 안내관을 장입치구 장치(510)로 상부 고정플레이트(230)의 돌기 구멍(234a,234b)(도 5b)을 거쳐 격자(111)의 삽입공(117a,117b)(도 2a)에 장입시킨다.

이어서 작업자는 용접벤치(200) 조작판넬(611)에 구비된 조이스틱 스위치를 사용하여 장입모터(511)를 전진시켜 안내관(120a,120b)이 지지격자(110)의 삽입홈(117a,117b)에 장입되도록 한다.

이때 작업자는 안내관(120a,120b)이 지지격자(110) 내로 장입되는 상황에 따라 장입모터(511)의 속도 및 정/역회전을 조절할 수 있으며, 안내관이 정상적으로 장입되면 하부 플레이트(240)(도 5d)에 형성된 볼트 삽입공(243a, 243b)에 볼트를 체결하여 안내관(120a,120b)(도 3a)의 캡(127) 부위에서 고정되도록 한다. 이어서 장입모터를 초기 원점으로 복귀시킨다.

다음으로 장입테이블(500)에 구비된 안내관용 전극(410)(도 7a)을 안내관(120a,120b)에 손잡이(415)를 잡고 밀어 넣은 후, 1차 안내관 용접공정에 대한 운전 준비가 완료되면 터치스크린(630)에 1차 용접 준비 O.K 램프 점등 상태를 확인한 후 1차 안내관 용접 시작 버튼을 터치한다.

이에 따라 ① 로봇(300)이 용접 타점(1번 격자)으로 이동한 후 용접건(350)이 지지격자(110) 좌측(도 4a에서) 내부로 장입된다.

로봇(300)이 용접 위치 도착 완료 확인 신호를 제어장치(600)인 PLC(Programmable Logic Controller)에 전송하게 되면 PLC는 용접건(350)의 해당 구동 실린더(330)(도 8a)를 동작시킨다.

② 실린더(330)가 작동한 후 밀착 압력 측정용 장치(352, 도 8a)가 설정된 압력값 내에 도달하면 PLC는 용접 타이머 장치에 용접 실행 명령을 지령하여 제1 안내관(120a)의 좌측 1차 타점 용접 이 실시되도록 한다. 만약 센서를 통하여 압력값 또는 용접 전류값 이상이 검출되면 별도 조건에 따라 장비를 재구동시킨다.

③ 앞서 설명한 바와 같이 용접건(350)의 아암(353)은 두 개 구비되어 있으므로 1번 지지격자(110)의 제1 안내관(120a) 우측에서 용접이 이루어지도록 용접건(350)이 수평 이동하여 팁홀더(357)가 격자 내부로 장입된 후 역시 우측 1차 타점에 용접 이 이루어지게 된다.

④ 이어서 제2 안내관(120b)의 1차 타점 용접 을 위하여 용접건(350)이 이동하여 상기 ① ~ ③ 동작을 반복한다.

⑤ 제1, 제2 안내관(120a,120b)의 1차 용접 타점의 용접이 완료되면 용접건은 90도 회전 한다.

⑥ 이어서 제2 안내관(120b)의 2차 타점 용접 에 대하여 2상기 ① ~ ③ 동작을 반복한다.

⑦ 용접건(350)이 이동하여 제1 안내관(120a)의 2차 타점 용접 이 진행되면서 ① ~ ③ 동작을 반복한다.

이렇게 ① ~ ⑦의 동작을 2번 격자부터 10번 지지격자 까지 반복하여 실행한다.

다만 로봇(300)이 10번 지지격자로 진입하기 전에 PLC는 상부 고정플레이트(230)를 실린더(237)의 구동을 통하여 자동으로 복귀시킨 후 로봇이 진입 되도록 제어하는데, 이는 10번 지지격자와 상부 고정플레이트 사이 간격이 협소하여 로봇 용접건 진입시 간섭이 발생하기 때문이다.

1번 안내관(120a)의 2차 타점에 대한 용접이 완료되면 로봇은 원점으로 복귀하게 되고 작업자가 안내관에 장입되었던 전극(410)을 제거함으로써 1차 안내관 용접공정이 완료된다.

2. 계측관 용접공정

제1, 제2 안내관(120a,120b)을 위한 1차 용접공정이 완료되면 다음으로 계측관(130)을 위한 계측관 용접공정 이 진행된다.

작업자는 터치 스크린(630)을 사용하여, 계측관(130) 용접 공정으로 전환한 후 계측관 장입 스위치를 터치하면 로봇(300)은 원점에서 1번 지지격자 위치로 이동하여 용접 명령에 대기한다.

이어서 작업자는 장입 테이블(500)을 2차 위치(계측관 위치)로 상승시킨다. 상승 완료 후 상부 고정플레이트(230)를 10번 지지격자에 밀착시키고 장입치구장치 (510)에 계측관(130)을 장착한 뒤 용접벤치(200) 조작판넬(611)에 구비된 장입모터(511) 구동 조이스틱 스위치를 사용하여 계측관을 지지격자 내로 장입한다.

계측관 장입이 완료되면 장입 모터를 후진하여 원점으로 복귀시키고, 계측관용 전극(420)을 체결구(429)의 홈(429b)을 통하여 장입 치구장치(510)에 결합한 후 계측관 구동 실린더(429) 신호장치를 접속하여 자동으로 전극부재(421)가 확장기구(423)에 의하여 확장/수축 되도록 조치한 후 장입 모터(511)로 전극(420)을 계측관 내부로 장입한다.

전극(420)의 후진(1번 격자 위치에서 10번 위치로, 즉 상부 방향으로의 이동)은 지지격자별 용접 조건이 완료됨과 연동하여 제어기기인 PLC에서 자동으로 전극이 확장-수축-후진 될 수 있도록 제어한다.

상기와 같은 운전 조건 완료 후 작업자는 터치 스크린(630)에 계측관 용접 준비 O.K 램프 점등 상태를 확인한 후 계측관 용접 시작 버튼을 터치한다.

① 실린더(427)의 작동으로 풀링바(425a)에 의하여 확장기구(425)가 당겨져 전극부재(421)가 확장되어 계측관(130)을 채우면 로봇(300)이 용접타점으로 이동하고 용접건(350)이 지지격자(110) 좌측 내부로 장입된다.

② 로봇이 용접 위치 도착 완료 확인 신호를 제어장치(600)의 PLC에 전송하게 되면 PLC는 용접건의 해당 구동 실린더(330)를 동작시킨다.

실린더가 작동한 후 밀착 압력 측정 장치(352)가 설정된 압력값 내에 도달하면 PLC는 용접 타이머 장치에 용접 실행 명령을 지령하여 좌측 1차 타점 용접 이 실시된다.

③ 좌측 용접이 완료되면 로봇은 용접건을 수평 이동하여 지지격자 우측 내부로 장입된 후 ②의 조건과 동일한 방법으로 용접을 실시하여, 1차 타점 용접이 완료된다.

④ 계측관(130) 1차 용접 타점의 용접이 완료되면 용접건은 90도 회전한다.

⑤ 로봇은 회전 후 ①~③의 동작을 반복하여 계측관의 2차 타점 용접 이 완료된다.

⑥ 이렇게 1번 지지격자에 대한 계측관 용접이 완료되면, 전극부재(411)가 수축된 후 장입모터(511)가 다음 지지격자 위치로 후진하고, 이어서 전극부재(411)가 확장된 후 로봇(300)은 상기 ①~⑤ 동작을 반복 실행하여 2번에서 10번 지지격자까지 계측관 용접 공정을 실행한다.

또한 상기 제1, 제2 안내관 용접에서와 마찬가지로 로봇이 10번 지직격자로 진입하기 전에 PLC는 공간 확보를 위하여 상부 고정플레이트(230) 구동 실린더(237)를 복귀시킨 후 로봇이 진입 되도록 한다.

계측관 용접 공정이 완료되면 로봇은 원점으로 복귀하게 되고 작업자가 계측관에 장입 되었던 계측관 전극(420)을 제거함으로써 계측관(430)에 대한 계측관 용접 공정이 완료 된다.

3. 2차 안내관 용접공정

이어서 작업자는 터치 스크린(630)을 사용하여, 제3, 제4 안내관(120c,120d) 용접 공정으로 전환한 후 2차 안내관 용접공정 장입 스위치를 터치하면 로봇(300)는 원점에서 1번 지지격자 위치로 이동하여 용접 명령에 대기하고 작업자는 장입 테이블(500)을 제3, 제4 안내관 위치(상단)로 상승시킨다.

작업자는 테이블(500) 조작판넬(613)의 상부 고정플레이트(230) 구동용 공압 실린더(237) 스위치를 이용하여 상부 고정플레이트가 10번 고정틀 장치 방향으로 밀착되게 한다.

장입 테이블(500) 상판에 준비된 제3, 제4 안내관(120c,120d)을 장입치구 장치(510)로 상부 고정플레이트(230)의 돌기 구멍(234c,234)(도 5b)을 거쳐 격자(111)의 삽입공(117c,117d)(도 2a)에 장입시킨다.

이어서 작업자는 용접벤치 조작판넬(611)의 조이스틱 스위치를 사용하여 장입 모터(511)를 전진시켜 안내관이 지지격자내로 장입 되도록 한다.

안내관 장입이 완료되면 하부 플레이트(240)(도 5d)에 형성된 볼트 삽입공(243c, 243d)에 볼트를 체결하여 안내관(120c,120d)(도 3a)의 캡(127) 부위에서 고정되도록 하고, 장입모터(511)를 초기 원점으로 복귀시킨다.

제3, 제4 안내관이 지지격자 내 정위치에 장입된 후 작업자는 장입 테이블에 준비된 안내관용 전극(410)을 안내관 내부로 장착하여 2차 안내관 용접 공정에 대한 운전 준비가 완료되면 작업자는 터치스크린(630)에 2차 안내관 용접 준비 O.K 램프 점등 상태를 확인한 후 용접 시작 버튼을 터치한다.

이어서 상기 [1. 1차 안내관 용접공정의 ① 내지 ⑦ 로봇 동작]을 비롯한 여러 장치의 동작이 동일하게 실시된다. 이는 제1, 제2 안내관의 위치와 제3, 제4 안내관의 위치값은 로봇 제어부(620)에 미리 입력된 위치 좌표값이 운전 모드에 따라 변경되어 로봇(300)의 좌표 수치값이 자동으로 전환되도록 설계되어 있어 가능하다.

2차 안내관 용접 공정이 완료되면 로봇은 원점으로 복귀하고 작업자는 안내관에 장입되었던 안내관 전극을 제거하고 장입 테이블을 하단 위치로 이동시킨 후 터치 스크린 장치(630)의 용접 공정 초기화 스위치를 터치함으로써 한국 표준형 골격체에 대한 용접 작업이 종료된다.

이상의 1차 안내관, 계측관, 2차 안내관 용접공정을 통하여 제조된 골격체에서, 각 공정 및 각 세부공정 마다 정밀한 계측이 실시되어 골격체 제조에 불량이 발생하였는지의 여부를 확인하게 된다.

Ⅱ. 한국 개량형 골격체 제조방법

개량형 골격체는 도 2b에 도시된 지지격자(113) 11개(도 4a의 은선 표시 격차 포함)에 4개의 안내관 및 1개의 계측관이 용접된 것으로, 도 2a의 표준형 골격체와는 다르게 지지격자(113)에 부착된 슬리브(113a)에 안내관 및 계측관이 용접된다.

도 4a에서 개량형 골격체에서 1번, 2번과 10번, 11번 지지격자는 좌우 양측 슬리브(113a)에 용접이 실시되며, 3번~9번 지지격자는 좌측(즉 하부측) 슬리브에만 용접이 실시된다. 이러한 용접 타점의 선택은 완성된 골격체의 강도와 용접타점의 절감을 위하여 최적화된 형태의 것이다.

개량형 골격체는 KSNP형과는 달리 용접 공정 진행 방향은 상부에서 하부 방향으로 진행된다. 이는 골격체 설계에 있어 용접시 골격체에 미치는 영향을 최소화 되도록 선택된 것이다. 이하의 설명에서는 편의를 위하여 KSNP형과는 달리 최상부 격자를 1번, 최하부 격자를 11번으로 정한다.

제어장치(600)에 장착된 터치 스크린(630)을 사용하여 개량형 골격체 운전 모드로 설정한 후 개량형 지지격자 11개를 정해진 절차에 따라 고정틀(220)에 정 위치로 장착하고 고정틀의 측면과 상단에 있는 고정 볼트(B)에 토크 렌치를 사용하여 지지격자를 고정한다(도 4b 참조).

1. 1차 안내관 용접공정

터치 스크린에서 제1, 제2 안내관(120a,120b) 공정 운전 버튼을 터치하면 로봇(300)은 원점 위치에서 상부의 1번 지지격자(110) 위치로 이동하여 용접 명령에 대기한다.

작업자는 용접벤치 조작판넬(613)의 상부 고정플레이트(230) 구동용 공압 실린더(237) 스위치를 이용하여 상부 고정플레이트가 1번 고정틀 방향으로 밀착되게 하고, 하부 고정플레이트(240)를 수동으로 조작하여 11번 고정틀 방향으로 밀착되도록 조치한다.

지지격자 설치 및 로봇 이동이 완료되면 작업자는 장입테이블(500)이 1번 지지격자 위치에 있음을 확인하고 장입테이블 상판에 준비된 제1, 제2 안내관(120a,120b)을 장입모터(511)를 사용하여 지지격자 내로 장입한다.

제1, 제2 안내관이 지지격자내 정위치에 장입된 후 작업자는 장입 테이블(500)에 준비된 안내관용 전극(410)을 제1, 제2 안내관(120a,120b) 내부로 장착하여 1차 용접 공정에 대한 운전 준비가 완료되면 작업자는 터치 스크린(630)에 1차 안내관 용접 준비 O.K 램프 점등 상태를 확인한 후 용접 시작 버튼을 터치한다.

개량형 골격체를 위한 용접건(350)의 팁은 도 9b에 도시된 것(359b)을 사용한다.

로봇(300)이 1번 지지격자로 진입하기 전에 상부 플레이트(230) 후진을 위해 실린더(237)가 동작되어 상부 플레이트(230)를 1번 격자로부터 이격시킨 후 로봇이 1번 지지격자내로 진입하게 된다. 이는 상부 플레이트(230)와 1번 지지격자간의 간격이 좁아 로봇 진입시 간섭이 발생하기 때문이다.

① 로봇(300)이 용접 타점으로 이동한 후 용접건(350)이 지지격자(113) 좌측 슬리브(113a)(도 2b) 용접위치에 도달한다.

로봇이 용접위치 도착완료 신호를 상위 제어장치(600)의 PLC에 전송하게 되면 PLC는 용접건의 해당 구동 실린더(330)를 동작시킨다.

실린더가 작동한 후 밀착 압력 측정용 장치(352)가 설정된 압력값 내에 도달하고 PLC는 용접 타이머 장치에 용접 실행 명령을 지령하여 좌측 1차 타점 에 용접을 실행한다.

압력값 또는 용접 전류값 이상이 검출되면 별도 조건에 따라 장비를 재구동 시킨다.

② 좌측 용접이 완료되면 로봇은 용접건을 수평 이동하여 용접건의 팁(도 E1)이 지지격자 우측 슬리브에서 ①의 동작을 반복하여, 우측 1차 타점 에 대한 용접을 실시한다.

③ 1번 안내관의 1차 타점 용접이 완료되면 로봇은 2번 안내관 1차 타점으로 이동하여 ①~②의 동작을 실행한다.

④ 제1, 제2 안내관(120a,120b)의 1차 타점의 용접(도 F2,F9)이 완료되면 용접건은 90도 회전한다.

⑤ 로봇은 2번 안내관의 2차 타점 으로 이동한 후 ①~③ 동작을 반복 실행하고 용접이 완료되면 제1 안내관(120a)의 2차 타점으로 이동한다.

⑥ 1번 안내관의 2차 타점 으로 이동한 로봇은 ①~③ 동작을 반복 실행하여 용접을 실시한다.

1번 지지격자에 대한 자동 용접이 완료되면 로봇은 자동으로 2번 지지격자 위치로 이동하며, 이격된 상부 플레이트가 자동으로 1번 지지격자에 밀착된 후 로봇은 2번 지지격자로 진입하여 ①~⑥ 동작을 반복 수행하게 된다.

2번 지지격자에 대한 용접이 완료되면 3번~9번 지지격자는 일측, 특히 하부측 슬리브에만 용접을 실시한다.

10번 지지격자 용접 완료 후 로봇은 11번 지지격자 위치에서 대기하고, 작업자가 하부 고정플레이트(240)를 수동으로 복귀시킨 후 터치 스크린(630)에서 11번 지지격자 용접 시작 스위치를 터치하면 로봇은 1번 및 2번 지지격자 용접 방식과 동일하게 11번 지지격자의 상·하부 슬리브에 대한 용접을 실시한다.

이와 같이 11번 지지격자 용접공정이 완료되면 로봇은 원점으로 복귀하게 되고 작업자는 안내관에 장입되었던 안내관 전극(410)을 제거하여 1차 안내관 용접 공정에 대한 작업이 완료된다.

2. 계측관 용접공정

작업자가 터치 스크린을 사용하여 계측관 장입 공정으로 전환한 후 계측관 장입 스위치를 터치하면 로봇은 원점에서 1번 지지격자 위치로 이동하여 용접 명령에 대기한다.

작업자는 장입 테이블을 2차 위치로 상승시킨다.

이하의 동작은 상기 [Ⅰ. KSNP형 골격체의 계측관 용접공정]과 [Ⅱ. 개량형 골격체의 1차 안내관 용접공정]을 조합하여 이루어진다.

3. 2차 안내관 용접공정

작업자는 터치 스크린을 사용하여, 2차 안내관 용접 공정으로 전환한 후 제3, 제4 안내관 장입 스위치를 터치하면 로봇은 원점에서 1번 지지격자 위치로 이동하여 용접 명령에 대기하며, 작업자는 장입 테이블(500)을 지지격자의 제3, 제4 안내관용 삽입홈(117c,117d) 위치로 상승시킨다.

이하의 동작은 상기 [Ⅰ. KSNP형 골격체의 2차 안내관 용접공정]과 [Ⅱ. 개량형 골격체의 1차 안내관 용접공정]을 조합하여 이루어진다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 원자력 연료 골격체를 위한 로봇 점용접 장치는

첫째, 용접건을 구비한 로봇을 이용하여 지지격자와 안내관 및 계측관을 점용접하는 방식으로 골격체 제조공정을 최대한 자동화시킴으로써 골격체 생산성을 높일 수 있고, 이에 따라 제조단가를 낮추면서도 종래의 수작업 용접시 높은 숙련도를 요하는데 비하여 용접 정밀성을 기계장치를 통하여 얻을 수 있어 골격체 불량 발생률을 획기적으로 낮출 수 있으며,

둘째, 로봇 용접건의 팁과 팁홀더 형태를 골격체를 이루는 지지격자와 안내관 및 계측관의 용접 부위에 맞게 개량 변형시켜 작업 효율을 높였으며,

셋째, 점용접을 위하여 안내관 및 계측관에 삽입되는 전극의 바람직한 구조를 제공하고, 특히 딤플이 형성된 계측관을 위한 전극의 구조를 통하여 로봇 용접작업의 자동화 및 정밀성을 높일 수 있고,

넷째, 본 발명에 따른 로봇 용접장치를 이용한 용접방법을 통하여 용접시 로봇 용접건의 동작을 최소화하여 제조 시간을 앞당길 수 있다.

이상의 설명은 본 발명에 따른 원자력 연료 골격체를 위한 로봇 점용접 장치를 도면, 특히 도 2a 및 도 2b의 한국표준형(KSNP) 및 한국 개량형 골격체와 관련하여 특정적으로 설명하였으나, 본 발명의 용접장치가 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.

또한 본 발명의 용접장치가 다른 원자력 연료 골격체에 적용되도록 당업자에 의하여 어느 정도 변형되어 실시될 수 있는데, 이러한 용접장치 또한 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

한편 이상의 설명에서는 '점용접'이라는 개념과 '로봇'을 비롯한 기타 통상의 공지기술에 대한 구체적인 설명은 생략하였으나, 당업자라면 이를 추측·추론할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 로봇 점용접 장치의 전체 정면도 및 평면도,

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 용접장치에 의하여 제조되는 서로 다른 종류의 골격체 중 하나의 지지격자 부분에 대한 개략도,

도 3a 및 도 3b는 안내관 및 계측관의 정면도,

도 4a 및 도 4b는 용접벤치의 정면도 및 측면도,

도 5a, 도 5b 및 도 5c, 5d는 용접벤치에 배열된 상부 및 하부 고정플레이트에 대한 정면도 및 측면도,

도 6a 및 도 6b는 장입테이블의 정면도 및 평면도,

도 7a 및 도 7b는 안내관 및 계측관용 전극의 정면도,

도 8a, 도 8b 및 도 8c는 로봇 용접건의 측면도, 평면도 및 후면도,

도 9a 및 도 9b는 서로 다른 종류인 로봇 용접건 팁의 측면도 및 평면도,

도 10은 본 발명의 용접장치 로봇에 의하여 안내관이 지지격자에 용접되는 실제 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 골격체 110: 지지격자

115: 셀 117a,117b,117c,117d,119: 삽입공

120: 안내관 130: 계측관

200: 용접벤치 210: 상판

220: 고정틀 230,240: 고정플레이트

231,241: 가이드레일 233: 안내관용 돌기

243: 안내관용 볼트 삽입공 245: 계측관용 돌기

237: 실린더 300: 로봇

310: 변압기 320: 로봇 접속 유닛

330: 용접건 구동실린더 340: 분류기

350: 용접건 351: 용접건 프레임

353: 아암 355: 홀더 거치대

357: 팁홀더 359: 용접팁

410: 안내관용 전극 420: 계측관용 전극

500: 장입테이블 510: 장입 치구장치

521: 테이블 구동모터 600: 제어장치

Claims (16)

1. 연료봉이 장입되는 셀(115)들이 다수 형성된 지지격자(110)에 출력 제어봉을 위한 안내관(120)과 노내 상태 계측을 위한 계측관(130)을 점용접하여 제조되는 골격체(100)를 위한 자동화 장치로서,

   상기 지지격자(110)를 위한 수용부(221)가 형성되어 있는 고정틀(220)들이 일정 간격으로 배열되어 있고, 지지격자들에 장입되는 안내관(120) 및 계측관(130)을 위한 고정플레이트(230)(240)들이 양단에 배열되어 있는 용접벤치(200);

   상기 용접벤치(200)와 나란히 배치된 주행레일(360)을 이동하며 지지격자와 안내관 및 계측관을 용접하도록 용접건(350)을 구비한 로봇(300);

   점용접을 위하여 상기 안내관 및 계측관에 삽입되는 전극; 및

   입력된 프로그램에 따라 각 구성요소들을 제어하도록 장비제어부(610)와 로봇제어부(620)가 구비되어 있는 제어장치(600)를 포함하여 이루어져 있는 로봇 점용접 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 로봇(300) 용접건(350)의 팁(359a)은 지지격자(111) 삽입공(117a,117b, 117c,117d)(119)과 인접한 셀(115)을 이루는 벽체와 안내관(120) 또는 계측관(130)을 용접할 수 있게 셀에 장입될 수 있도록 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 용접건(350)은 지지격자(110)의 양측에서 격자와 안내관 또는 계측관을 용접할 수 있도록 2개의 홀더 장치 형태의 용접건으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극은 안내관용의 것(410)으로, 지지격자(110) 부위에 위치하는 전극부재(411)와, 이 전극부재들을 연결하고 있는 전극지지봉(413)으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극은 딤플(131)이 형성되어 있는 계측관용의 것(420)으로, 탄성수단으로 연결된 절편(421a)들로 이루어진 전극부재(421)와, 이 전극부재(421)에 삽입되어 절편을 이격시켜 전극부재의 직경이 팽창되도록 하여 전극이 계측관(130)을 메우도록 하는 확장기구(423)와, 상기 확장기구와 연결된 풀링바(425a)를 전극부재의 위치를 감지하는 센서의 신호에 따라 진퇴시키는 실린더(427)를 포함하여 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전극부재(421)의 탄성수단(421b)은 확장기구의 반대쪽에서 일체형으로 결합되어 있는 절편(421a)들 단부를 통하여 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 장치.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 점용접 장치는 상기 용접벤치(200)와 동일 직선상에 배열되어 있는 장입테이블(500)을 더 포함하여 이루어지는데,

   이 장입테이블(500)은 상기 안내관 및 계측관을 지지격자(110)의 삽입공(117)에 장입할 수 있도록 모터(511)에 의하여 진퇴되는 장입치구장치(510)와, 위치감지센서(523)의 신호에 따라 테이블(500)의 높낮이를 조절하는 모터(521)와, 이 두 모터의 정역회전을 조절하는 조작판넬을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 장치.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 계측관용 전극(420)은 실린더(427) 쪽에 바퀴(429a)가 달린 체결구(429)가 구비되어 있고,

   상기 점용접 장치는 용접벤치(200)와 동일 직선상에 배열되어 있으며, 모터(511)에 의하여 진퇴되는 장입치구장치(510)가 배치되어 있는 장입테이블(500)을 더 포함하여 이루어지며,

   계측관용 전극(420)은 장입치구장치(510)와 연결된 체결구(429)를 통하여 진퇴되고, 센서에 의하여 용접이 이루어지는 격자(110)에 전극부재(421)가 위치하는지의 여부를 감지하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 장치.
9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 용접벤치(200)에 배열된 두 고정플레이트 중 하나(230)는 제어장치 (600)에 의하여 제어되는 실린더(237)에 의하여 가이드레일(231) 상에서 진퇴되며, 플레이트(230)에는 안내관(120)이 삽입되는 구멍(234a,234b,234c,234d)이 천공된 돌기(233a,233b,233c,233d)와 계측관(130)을 위한 구멍(235)이 형성되어 있으며,

   다른 하나의 고정플레이트(240)는 수동으로 가이드레일(241) 상에서 진퇴되며, 플레이트에는 안내관(120)과 나사결합되는 볼트가 삽입될 수 있는 나사공 (243a,243b,243c,243d)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 장치.
10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 지지격자(110)에 형성된 삽입공은 중앙에 형성된 하나의 계측관용 구멍(119)과, 이 구멍을 기준으로 상하에 대칭되게 형성된 안내관용 네 개의 구멍(117a,117b,117c,117d)으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 지지격자(113)는 삽입공에 슬리브(113a)를 구비하고 있으며, 안내관 (120) 및 계측관(130)은 이 슬리브에 삽입되어 슬리브와 용접되는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 슬리브(113a)와 안내관 및 계측관을 용접하기 위한 용접건(350)의 팁(359b)은 장방형 형상으로 되어 있어 정밀한 위치제어를 필요치 않도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 장치.
13. (정정) 원자력 연료 골격체를 로봇 자동화를 통하여 점용접하는 방법에 있어서,

    지지격자(110)에 형성된 삽입공(117)은 중앙에 형성된 하나의 계측관용 구멍(119)과, 이 구멍을 기준으로 상하에 대칭되게 형성된 안내관용 네 개의 구멍 (117a,117b,117c,117d)으로 이루어져 있고, 용접벤치(200)에 배치된 고정틀(220)에 위치한 지지격자(110)의 하부 두 삽입공(117a,117b)에 제1, 제2 안내관(120a,120b)을 삽입하고 안내관에 전극(410)을 삽입한 후 로봇 용접건(350)이 1번 격자에서 마지막 격자까지 차례로 용접하되,

    (a) 각 격자에서의 용접은 제1 안내관 1차 타점 →제2 안내관 1차 타점 →용접건 90도 회전 →제2 안내관 2차 타점 →제1 안내관 2차 타점의 순서로 이루어지고;

    (b) 이어서 격자의 중앙 삽입공(119)에 계측관(130)을 삽입하고 계측관에 전극을 삽입한 후 용접건이 제1 격자에서 마지막 격자까지 1차 타점 →용접건 90도 회전 →2차 타점을 차례로 용접하며;

    (c) 다음으로 격자의 상부 두 삽입공(117c,117d)에 제3, 제4 안내관(120c,120d)을 삽입하고 전극을 삽입한 후 용접건이 제3 안내관의 1차 타점 →제4 안내관 1차 타점 →용접건 90도 회전 →제4 안내관 2차 타점 →제3 안내관 2차 타점의 순서로 용접이 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 방법.
14. (정정) 제 13 항에 있어서,

    상기 계측관(130)의 용접은,

    계측관에 딤플(131)이 형성되어 있어 전극(420)은 탄성수단으로 연결된 절편(421a)들로 이루어진 전극부재(421)와, 이 전극부재에 삽입되어 절편을 이격시켜 전극부재의 직경이 팽창되도록 하여 전극이 계측관(130)을 메우도록 하는 확장기구(423)와, 상기 확장기구와 연결된 풀링바(425a)를 전극부재의 위치를 감지하는 센서의 신호에 따라 진퇴시키는 실린더(427)를 포함하되,

    센서에 의하여 전극부재(421)가 지지격자(110) 부위에 위치하고 있다는 것이 감지되면 실린더(427)의 작동으로 풀링바(425a)가 확장기구(423)를 당겨서 절편(421a)들을 확장시킨 후, 각 타점을 로봇(300) 용접건(350)이 용접하는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 방법.
15. (정정) 제 14 항에 있어서,

    상기 계측관용 전극(320)은 실린더(427) 쪽에 바퀴(429a)가 달린 체결구(429)를 더 구비하고 있고, 상기 점용접 장치는 용접벤치(200)와 동일 직선상에 배열되어 있으며, 모터(511)에 의하여 진퇴되는 장입치구장치(510)가 배치되어 있는 장입테이블(500)을 더 포함하되,

    상기 계측관용 전극(320)의 용접될 지지격자(110)로의 이동은 센서에 의하여 전극부재(421)가 용접이 이루어지는 격자에 전극부재가 위치하는지의 여부를 감지하면서 장입치구장치(510)와 연결된 체결구(429)를 통하여 진퇴되는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 방법.
16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 안내관(120) 및 계측관(130)의 용접은 지지격자(110)의 삽입공에 고정된 슬리브(113a)와 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇 점용접 방법.